江愛(ài)國(guó)

(浙江省岱山中學(xué),浙江岱山 316200)

2010年10月1日18時(shí)59分57秒,隨著“嫦娥2號(hào)”在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功升空,中國(guó)探月工程二期揭開(kāi)序幕.作為工程二期的技術(shù)先導(dǎo)星,它的主要任務(wù)是為“嫦娥3號(hào)”實(shí)現(xiàn)月面軟著陸開(kāi)展部分關(guān)鍵技術(shù)試驗(yàn),并繼續(xù)進(jìn)行月球科學(xué)的探測(cè)和研究.它的成功發(fā)射極大地激發(fā)了國(guó)民對(duì)探月工程的關(guān)注熱情,現(xiàn)整合各種媒體資料,把此次發(fā)射的各技術(shù)特征及技術(shù)突破點(diǎn)做一總結(jié),供同行參考.

1 我國(guó)探月工程發(fā)展規(guī)劃

考慮到我國(guó)科技水平、綜合國(guó)力和國(guó)家整體發(fā)展戰(zhàn)略,2020年前,我國(guó)月球探測(cè)工程以無(wú)人探測(cè)為主,分3個(gè)實(shí)施階段.

“繞”:2004年～2007年(一期),研制和發(fā)射我國(guó)首顆月球探測(cè)衛(wèi)星,實(shí)施繞月探測(cè).這一階段主要任務(wù)是研制和發(fā)射月球探測(cè)衛(wèi)星,突破繞月探測(cè)關(guān)鍵技術(shù),對(duì)月球地形地幔、部分元素及物質(zhì)成分、月壤特性、地月空間環(huán)境等進(jìn)行全球性、整體性與綜合性的探測(cè),并初步建立我國(guó)月球探測(cè)航天工程系統(tǒng).

“落”:2013年前后(二期),進(jìn)行首次月球軟著陸和自動(dòng)巡視勘測(cè).主要任務(wù)是突破月球軟著陸、月面巡視勘察、深空測(cè)控通訊與邑操作、深空探測(cè)運(yùn)載火箭發(fā)射等關(guān)鍵技術(shù),研制和發(fā)射月球軟著陸探測(cè)器和巡視探測(cè)器,實(shí)現(xiàn)月球軟著陸和巡視探測(cè),對(duì)著陸區(qū)地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造和物質(zhì)成分等進(jìn)行探測(cè),并開(kāi)展月基天文觀測(cè).“嫦娥3號(hào)”將于2013年前發(fā)射,并真正實(shí)現(xiàn)落月.“嫦娥3號(hào)”著陸后,將分為兩部分:著陸器和月球車(chē).月球車(chē)將在月球表面巡游,著陸器則定點(diǎn)守候.月球車(chē)將在月球探測(cè)90天,并抓取月壤在車(chē)內(nèi)進(jìn)行分析,得到的有關(guān)數(shù)據(jù)將直接傳回地球.“90天內(nèi),月球車(chē)巡游的范圍可達(dá)到5 km2.著陸器拍攝月球車(chē)巡游的圖像也能傳回到地面.月球赤道附近的虹灣地區(qū)是“嫦娥3號(hào)”著陸的首選.”

“回”:2020年前(三期),進(jìn)行首次月球樣品自動(dòng)取樣返回探測(cè).主要任務(wù)是突破采樣返回探測(cè)器小型采樣返回艙、月表鉆巖機(jī)、月表采樣器、機(jī)器人操作臂等技術(shù);在現(xiàn)場(chǎng)分析取樣的基礎(chǔ)上,采集關(guān)鍵性樣品返回地球,進(jìn)行試驗(yàn)室分析研究;深化對(duì)地月系統(tǒng)的起源與演化的認(rèn)識(shí).

在“繞”、“落”、“回”均成功實(shí)現(xiàn)以后,我國(guó)再進(jìn)行下一步的人登上月球的計(jì)劃.

2 “嫦娥2號(hào)”的技術(shù)創(chuàng)新與突破

一是突破運(yùn)載火箭直接將衛(wèi)星發(fā)射至地月轉(zhuǎn)移軌道的發(fā)射技術(shù).“嫦娥1號(hào)”是先發(fā)射到地球附近的過(guò)渡軌道,再經(jīng)過(guò)自身多次調(diào)整進(jìn)入奔月軌道;而“嫦娥2號(hào)”衛(wèi)星將由運(yùn)載火箭直接送入近地點(diǎn)200 km,遠(yuǎn)地點(diǎn)約38萬(wàn)km的奔月軌道,這樣效率更高.“嫦娥1號(hào)”用了近 14天時(shí)間進(jìn)入工作軌道,“嫦娥2號(hào)”5天以內(nèi)就可做到.相比嫦娥1號(hào)任務(wù),嫦娥2號(hào)任務(wù)對(duì)運(yùn)載火箭推力要求更大,入軌精度和控制精度要求更高.

二是試驗(yàn)X頻段深空測(cè)控技術(shù),初步驗(yàn)證深空測(cè)控體制.“嫦娥2號(hào)”任務(wù)的飛行測(cè)控將首次驗(yàn)證我國(guó)新建的X頻段深空測(cè)控體制.相比“嫦娥1號(hào)”任務(wù)中使用的S頻段衛(wèi)星測(cè)控網(wǎng),X頻段無(wú)線電傳輸信號(hào)頻率更高,遠(yuǎn)距離測(cè)控通信效果更好.

三是驗(yàn)證100 km月球軌道捕獲技術(shù).相比“嫦娥1號(hào)”在距月面200 km處被月球捕獲,“嫦娥2號(hào)”將在距月面100 km處進(jìn)行制動(dòng),飛行速度更快,軌道更低,制動(dòng)量更大,同時(shí)月球不均勻重力場(chǎng)對(duì)衛(wèi)星軌道的攝動(dòng)影響也相應(yīng)增大,大大提高了對(duì)衛(wèi)星制動(dòng)控制精度的要求.

圖1

四是驗(yàn)證100 km×15 km軌道機(jī)動(dòng)與快速測(cè)定軌技術(shù).“嫦娥2號(hào)”要驗(yàn)證100 km×15 km軌道機(jī)動(dòng)與快速測(cè)定軌技術(shù),測(cè)試將飛行軌道由100 km圓軌道調(diào)整為遠(yuǎn)月點(diǎn)100 km、近月點(diǎn)15 km的橢圓軌道的能力.

五是試驗(yàn)全新的著陸相機(jī),數(shù)據(jù)傳輸能力大幅提高.“嫦娥2號(hào)”增加配置了降落相機(jī),以檢驗(yàn)對(duì)月成像能力,為“嫦娥3號(hào)”月面軟著陸做準(zhǔn)備.數(shù)據(jù)傳輸速率也由“嫦娥1號(hào)”的3兆每秒翻倍為6兆每秒,還將進(jìn)行12兆每秒的傳播速率試驗(yàn).

六是對(duì)“嫦娥3號(hào)”預(yù)選著陸區(qū)進(jìn)行高分辨率成像試驗(yàn).“嫦娥 1號(hào)”搭載的CCD相機(jī)分辨率為120 m.而“嫦娥2號(hào)”在100 km圓軌道和100 km×15 km軌道的近月點(diǎn)處,將分別對(duì)“嫦娥3號(hào)”的預(yù)選著陸區(qū)進(jìn)行優(yōu)于10 m和1.5 m分辨率的成像試驗(yàn),分辨率有了很大提高.

3 “嫦娥2號(hào)”奔月旅程

(1)10月1日18時(shí)59分 57秒箭點(diǎn)火起飛,11 s后在控制系統(tǒng)的控制下,火箭開(kāi)始轉(zhuǎn)彎.

(2)行約2 min,助推器分離.

(3)約30 s后,火箭一、二級(jí)分離.

(4)火箭沖出大氣層后,拋掉整流罩.

(5)關(guān)閉二級(jí)主發(fā)動(dòng)機(jī),與三級(jí)火箭分離,三級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火.

(6)三級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī),火箭開(kāi)始滑行.

(7)滑行至預(yù)定位置,三級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火加速,經(jīng)過(guò)末次修正,將衛(wèi)星直接送入近地點(diǎn)200 km、遠(yuǎn)地點(diǎn) 38萬(wàn)km的奔月軌道.

(8)三級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī),星箭分離.

(9)太陽(yáng)翼監(jiān)視相機(jī)開(kāi)機(jī),太陽(yáng)翼展開(kāi)(這是我國(guó)第一次實(shí)拍衛(wèi)星飛行過(guò)程中的太陽(yáng)翼展開(kāi)圖像).

(10)定向天線監(jiān)視相機(jī)開(kāi)機(jī),定向天線展開(kāi)對(duì)地定向.

(11)為消除衛(wèi)星實(shí)際飛行的軌道誤差,在奔月過(guò)程中“嫦娥2號(hào)”視情況安排兩到3次軌道修正,保證衛(wèi)星準(zhǔn)確與月球軌道交匯.在修正過(guò)程中,衛(wèi)星發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)視相機(jī)開(kāi)機(jī),拍攝發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火過(guò)程.奔月過(guò)程中,衛(wèi)星將打開(kāi)空間環(huán)境探測(cè)設(shè)備,獲取空間環(huán)境信息.衛(wèi)星還將適時(shí)進(jìn)行紫外導(dǎo)航試驗(yàn).

(12)奔月飛行約112 h后,衛(wèi)星到達(dá)月球附近,衛(wèi)星進(jìn)行最關(guān)鍵的一次軌道機(jī)動(dòng),即近月制動(dòng),一旦制動(dòng)失敗衛(wèi)星將無(wú)法實(shí)現(xiàn)繞月飛行.在太空環(huán)境中實(shí)施制動(dòng),首先將衛(wèi)星調(diào)整方向,使發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴對(duì)準(zhǔn)前進(jìn)方向點(diǎn)火,實(shí)現(xiàn)減速.通過(guò)近月制動(dòng),衛(wèi)星飛行速度降低到月球逃逸速度以下,被月球捕獲后,進(jìn)入近月點(diǎn)100 km、周期12 h的橢圓軌道,實(shí)現(xiàn)繞月飛行.

(13)衛(wèi)星于近月點(diǎn)實(shí)施兩次制動(dòng),逐步將軌道調(diào)整為100 km、周期117 min的月圓軌道,并在此軌道上開(kāi)展探測(cè)活動(dòng).

(14)在環(huán)月探測(cè)飛行中,“嫦娥 2號(hào)”衛(wèi)星將適時(shí)開(kāi)展100 km×15 km的軌道機(jī)動(dòng)試驗(yàn),并對(duì)后續(xù)任務(wù)宏觀預(yù)選著陸區(qū),進(jìn)行重點(diǎn)拍攝,獲取分辨率優(yōu)于1.5 m的高精度圖像.1-2天后,衛(wèi)星回到100 km環(huán)月圓軌道,開(kāi)展環(huán)月球三維影像、月表物質(zhì)成分和分布、月壤特性、月球空間環(huán)境等科學(xué)探測(cè)活動(dòng).

4 月球探測(cè)工程系統(tǒng)組成

(1)衛(wèi)星系統(tǒng)“嫦娥2號(hào)”是月球探測(cè)衛(wèi)星工程系統(tǒng)中最重要的一環(huán),由中國(guó)空間技術(shù)研究院負(fù)責(zé)研制.該月球探測(cè)衛(wèi)星選用“東方紅3號(hào)”衛(wèi)星平臺(tái),總質(zhì)量2 480 kg,設(shè)計(jì)壽命半年.該星體尺寸為2 000 mm×1 720 mm×2 200 mm.“嫦娥 2號(hào)”上天時(shí),還要隨身攜帶 7種有效載荷,“7種武器”將幫助它完成一系列的科學(xué)探測(cè)任務(wù).“7種武器”包括:CCD立體相機(jī)、激光高度計(jì)、X射線譜儀、γ射線譜儀、微波探測(cè)器、太陽(yáng)高能粒子探測(cè)器、太陽(yáng)風(fēng)離子探測(cè)器.這“7種武器”可分為如下4類(lèi).

第1類(lèi)是用來(lái)完成月球表面三維成像的,包括CCD立體相機(jī)和激光高度計(jì).當(dāng)年的“嫦娥1號(hào)”也有相機(jī)和激光高度計(jì),但此次“嫦娥2號(hào)”的任務(wù),這兩個(gè)東西都重新研制了.“嫦娥1號(hào)”相機(jī)的分辨率是120 m,現(xiàn)在的分辨率要求小于10 m.激光高度計(jì)原來(lái)是1 s測(cè)1次,這次是1秒鐘測(cè)5次.

第2類(lèi)是用來(lái)探測(cè)月球表面物質(zhì)的化學(xué)成分的,包括X射線譜儀、γ射線譜儀.“嫦娥 1號(hào)”也有這兩種載荷,但此次γ譜儀的探測(cè)晶體靈敏度提高了,對(duì)X射線譜儀的譜段的選擇也做了一些調(diào)整,應(yīng)該能得到更好的探測(cè)結(jié)果.“嫦娥1號(hào)”探測(cè)的元素有14種,此次調(diào)整為重點(diǎn)探測(cè) 3種月表天然放射性元素和6種主量造巖元素的含量.

第3類(lèi)是用于月壤探測(cè)的微波探測(cè)器.這是中國(guó)探月衛(wèi)星的特點(diǎn)——國(guó)外的月壤探測(cè)沒(méi)有采用微波頻段,只能看到表面,沒(méi)法穿透,我國(guó)采用4個(gè)微波的頻段可以穿透月壤.這個(gè)微波探測(cè)器沒(méi)有做太大改動(dòng),但是微波的特點(diǎn)是統(tǒng)計(jì)性的,數(shù)據(jù)越多分辨率越高,“嫦娥2號(hào)”探測(cè)結(jié)果會(huì)改進(jìn)“嫦娥1號(hào)”所獲得的一些數(shù)據(jù).

第4類(lèi)是用于探測(cè)地月空間環(huán)境的,包括太陽(yáng)高能粒子探測(cè)器、太陽(yáng)風(fēng)離子探測(cè)器.這兩個(gè)探測(cè)器也沒(méi)怎么變.由于現(xiàn)在正處在第 24個(gè)太陽(yáng)風(fēng)年,太陽(yáng)活動(dòng)比“嫦娥1號(hào)”發(fā)射時(shí)劇烈,所以“嫦娥2號(hào)”的這兩個(gè)探測(cè)器還肩負(fù)著對(duì)新的太陽(yáng)風(fēng)年進(jìn)行探測(cè)的使命.

“嫦娥2號(hào)”比“嫦娥 1號(hào)”少了一種干涉成像光譜儀.“嫦娥1號(hào)”的相機(jī)分成CCD相機(jī)與干涉成像光譜儀兩部分,經(jīng)過(guò)“嫦娥1號(hào)”的測(cè)試,我國(guó)研制人員覺(jué)得干涉成像光譜儀能夠提供的信息不多,所以把它去掉,換成一臺(tái)高分辨率的相機(jī).

(2)運(yùn)載火箭系統(tǒng)

由中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院負(fù)責(zé)研制.該火箭全長(zhǎng)52.52 m,最大直徑3.35 m.這是這種推力更大的新型火箭第一次用于探月發(fā)射,也是長(zhǎng)征系列火箭的第131次飛行.由于該火箭擁有更靈活先進(jìn)的控制系統(tǒng),可以在星箭分離前對(duì)有效載荷進(jìn)行大姿態(tài)調(diào)姿定向,并提供可調(diào)整的衛(wèi)星起旋速率,因而具有很強(qiáng)的適應(yīng)性.“長(zhǎng)征3號(hào)丙”就像金牌火箭“長(zhǎng)征3號(hào)甲”的孿生兄弟,只是多出兩個(gè)助推器,如同兩枚尾翼鑲嵌在芯一級(jí)底部——這種“非全對(duì)稱”式的外形,在“長(zhǎng)征”系列火箭里是唯一的.該結(jié)構(gòu)上的變化,把火箭的運(yùn)載能力從2.65 t提升到了3.8 t.

之所以改用“長(zhǎng)征3號(hào)丙”火箭作為“嫦娥2號(hào)”衛(wèi)星的運(yùn)載工具,是為了實(shí)現(xiàn)工程的第一項(xiàng)目標(biāo):突破火箭直接將衛(wèi)星發(fā)射至地月轉(zhuǎn)移軌道的發(fā)射技術(shù).縮短衛(wèi)星的奔月路程和時(shí)間,看上去是多“送”了衛(wèi)星一程,其實(shí)是以更大的推力給了衛(wèi)星更高的初始速度.從運(yùn)載能力上看,“長(zhǎng)征3號(hào)甲”火箭的標(biāo)準(zhǔn)地球同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力是2 600 kg,“長(zhǎng)征3號(hào)乙”是我國(guó)目前最大的高軌道運(yùn)載火箭,它的運(yùn)載能力達(dá)到了5 500 kg.“長(zhǎng)征3號(hào)丙”的運(yùn)載能力達(dá)到了3 800 kg.為什么“嫦娥 2號(hào)”選擇“長(zhǎng)征3號(hào)丙”火箭呢?主要是因?yàn)椤版隙?號(hào)”的起飛重量是2 480 kg,不必使用“長(zhǎng)征3號(hào)乙”;但“嫦娥2號(hào)”要直接進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道,而“長(zhǎng)征3號(hào)甲”的運(yùn)載能力不足以把衛(wèi)星送入地月轉(zhuǎn)移軌道,所以最后選擇使用“長(zhǎng)征3號(hào)丙”.

(3)發(fā)射場(chǎng)系統(tǒng)

發(fā)射場(chǎng)系統(tǒng)由西昌衛(wèi)星發(fā)射中心負(fù)責(zé)建設(shè),選在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心其中一個(gè)原因是其緯度低,能夠更好地利用地球自轉(zhuǎn)速度發(fā)射大推力火箭.發(fā)射場(chǎng)是嫦娥衛(wèi)星飛天的港灣,也是火箭、衛(wèi)星的“體檢中心”和“加油站”.為確?！版隙?號(hào)”發(fā)射成功,發(fā)射場(chǎng)進(jìn)行了包括更新測(cè)量雷達(dá)、更新遙測(cè)系統(tǒng)、改造光學(xué)儀器、優(yōu)化加注系統(tǒng)等在內(nèi)的上百項(xiàng)技術(shù)改進(jìn),提高了可靠性和整體發(fā)射能力.

發(fā)射零窗口”是關(guān)鍵詞之一.所謂“零窗口”,即指在預(yù)先計(jì)算好的發(fā)射時(shí)間,分秒不差地將火箭點(diǎn)火升空,不允許有任何延誤與變更.在“零窗口”發(fā)射時(shí)火箭的發(fā)射時(shí)間幾乎沒(méi)有調(diào)整的余地,通常采用定時(shí)控制火箭點(diǎn)火的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)“零窗口”的發(fā)射.如果火箭不能準(zhǔn)時(shí)發(fā)射,則要推遲發(fā)射,等待下一次發(fā)射窗口,甚至要推遲一天或若干天才能發(fā)射.所以“零窗口”發(fā)射對(duì)火箭可靠性提出了更高的要求.

與“嫦娥1號(hào)”一樣,“嫦娥 2號(hào)”發(fā)射瞄準(zhǔn)的是“零窗口”.在35 min的窗口時(shí)間內(nèi),“零窗口”發(fā)射能比按照窗口后沿發(fā)射節(jié)省180 kg衛(wèi)星燃料.對(duì)于所攜燃料僅為1 300多 kg的“嫦娥2號(hào)”衛(wèi)星來(lái)說(shuō),這一點(diǎn)彌足珍貴.

(4)測(cè)控系統(tǒng)

它由西安衛(wèi)星測(cè)控中心和總裝測(cè)通所負(fù)責(zé)建設(shè).精確測(cè)軌和準(zhǔn)確的軌道控制,是“嫦娥 2號(hào)”測(cè)控的最大難點(diǎn).增加一艘遠(yuǎn)洋測(cè)量船,優(yōu)化軌道控制策略,研制S/X頻段統(tǒng)一測(cè)控系統(tǒng),改造青島站和喀什站……測(cè)控系統(tǒng)的種種改進(jìn),都是圍繞這一點(diǎn).同時(shí),測(cè)控系統(tǒng)預(yù)設(shè)了衛(wèi)星入軌異常、變軌未能實(shí)施或滯后實(shí)施、發(fā)動(dòng)機(jī)故障等共106種預(yù)案故障模式,制定了153種故障處理對(duì)策.

更令人矚目的是“嫦娥2號(hào)”肩負(fù)的一項(xiàng)重要任務(wù)——驗(yàn)證對(duì)“嫦娥3號(hào)”至關(guān)重要的X頻段測(cè)控技術(shù).

X頻段具有頻率高、傳輸帶寬寬等特點(diǎn),是未來(lái)深空探測(cè)的主用頻段.在“嫦娥2號(hào)”衛(wèi)星上搭載X頻段應(yīng)答機(jī),與中國(guó)X頻段地面測(cè)控設(shè)備配合驗(yàn)證X頻段測(cè)控體制,將為“嫦娥3號(hào)”任務(wù)積累測(cè)控經(jīng)驗(yàn),為未來(lái)更遠(yuǎn)的深空探測(cè)奠定技術(shù)基礎(chǔ).

(5)地面應(yīng)用系統(tǒng)

該系統(tǒng)由中科院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心負(fù)責(zé)研制和建設(shè),由數(shù)據(jù)接收、運(yùn)行管理、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)管理、科學(xué)應(yīng)用與研究5個(gè)分系統(tǒng)組成.

以前,我國(guó)在上海佘山和烏魯木齊分別擁有一個(gè)直徑25 m的天線,它們只能有4～6個(gè)小時(shí)可以用來(lái)接收衛(wèi)星上的信息.為了探月工程計(jì)劃的順利實(shí)施,我國(guó)又在北京和昆明分別設(shè)兩個(gè)直徑為50 m(國(guó)內(nèi)最大的)和40 m的天線.這樣在我國(guó)的國(guó)土上,可用4個(gè)天線交叉干涉對(duì)近40萬(wàn)km遠(yuǎn)的嫦娥系列衛(wèi)星進(jìn)行測(cè)控,并為應(yīng)對(duì)外界的干擾因素、意外因素,留有應(yīng)急的能量.